外部干擾所致的音頻噪聲該如何防治
2022-09-21 11:32:53 來(lái)源： 點(diǎn)擊：1654 喜歡：5
1 噪聲產(chǎn)生的原理
導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生的電磁干擾模式分為兩大類。差模（Differential-mode）與共模（Common-mode）。無(wú)論是電源線用于電力傳輸還是音頻電纜進(jìn)行信號(hào)傳送，至少需要兩根導(dǎo)線構(gòu)成回路。兩根導(dǎo)線之間存在不同的干擾電壓或電流，就是差模干擾，見(jiàn)圖1。
圖1 差模干擾的原理示意圖
但更多的時(shí)候，除了這兩根導(dǎo)線之外還有第三導(dǎo)體，也就是地線。這時(shí)候，還會(huì)出現(xiàn)另外一種干擾電流，存在于兩根導(dǎo)線與地線之間，這就是共模干擾，特點(diǎn)是幅度相同、相位相同，見(jiàn)圖2。
圖2 共模干擾的原理示意圖
舉一個(gè)形象化的例子，兩個(gè)人坐在小船兩邊劃船，船體兩側(cè)的高度差看作是差模干擾的話，那么，船體距離河底的絕對(duì)高度就可以看作是共模干擾。也就是說(shuō)，差模干擾是兩根信號(hào)線之間的干擾，而共模干擾則是指干擾信號(hào)與地之間的電位差。在實(shí)際使用中，共模干擾與差模干擾經(jīng)常是共存的，并且在某些條件下會(huì)出現(xiàn)互相轉(zhuǎn)化。
共模干擾可以通過(guò)一些手段進(jìn)行消除和預(yù)防，如：（1）采用屏蔽雙絞線并有效接入；（2）信號(hào)線與電源線遠(yuǎn)離；（3）采用線性穩(wěn)壓電源或高品質(zhì)的開(kāi)關(guān)電源；（4）使用差分放大電路；（5）在信號(hào)線或電源線中串聯(lián)共模扼流圈，在地與導(dǎo)線之間并聯(lián)電容器，組成LC濾波器進(jìn)行濾波。
差摸干擾可以使用差摸扼流圈進(jìn)行抑制，但前提是減少共模干擾，以防共模干擾轉(zhuǎn)化為差摸干擾。
2 復(fù)雜外部環(huán)境中干擾所引起的噪聲問(wèn)題
復(fù)雜外部環(huán)境下干擾噪聲的源頭分別是電網(wǎng)干擾、電磁輻射以及地線環(huán)路。
2.1由電網(wǎng)串入的共模干擾
在外場(chǎng)音頻設(shè)備使用環(huán)境中，往往無(wú)法對(duì)場(chǎng)館方提供的電源提出苛刻的要求。但有些條件必須滿足：電源必須只能是單獨(dú)的，電壓相對(duì)穩(wěn)定，是相對(duì)純凈的電源回路。因此，需要檢測(cè)電壓是否穩(wěn)定、是否接地，輸出極性是否正確。然后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電源進(jìn)行進(jìn)一步的處理。如果電壓不夠穩(wěn)定，可以使用穩(wěn)壓器。出于實(shí)況轉(zhuǎn)播音質(zhì)的考慮，對(duì)于調(diào)音臺(tái)及周邊設(shè)備電源純凈度的要求更高一點(diǎn)，因此，盡可能提供一路單端的電源，并且使用加裝了濾波器的隔離變壓器，隔絕來(lái)自電網(wǎng)的噪聲污染。要注意的是，隔離變壓器在開(kāi)機(jī)瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的激磁涌流，有可能導(dǎo)致跳閘。當(dāng)遇到這種情況時(shí)，可以通過(guò)加裝軟啟動(dòng)裝置來(lái)解決問(wèn)題。
音響系統(tǒng)的電源一定要與燈光及其他包含電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)（如舞臺(tái)機(jī)械）完全分開(kāi)，以防這些系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁污染影響到音響系統(tǒng)。這種從電網(wǎng)串入的共模干擾聽(tīng)起來(lái)是一種低頻的嗡聲（HUM）。
2.2電磁輻射干擾
在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)音頻系統(tǒng)搭建時(shí)，需要注意周圍是否存在干擾源，干擾可能會(huì)來(lái)自設(shè)備電弧、附近電臺(tái)，大功率輻射源、交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生交變的電流會(huì)產(chǎn)生共模干擾。
如果音頻系統(tǒng)搭建的場(chǎng)地附近存在大型的變電設(shè)備，干擾會(huì)較為嚴(yán)重，在這樣的情況下，遠(yuǎn)離變壓設(shè)備是第一選擇，如果不行，只能通過(guò)將音頻設(shè)備屏蔽接地的方式來(lái)降低干擾。
輻射的干擾還會(huì)來(lái)自設(shè)備與設(shè)備之間。單相供電的音頻設(shè)備的火線零線在插線板上的方向有時(shí)候也會(huì)引起微弱的低頻噪聲，原因是由于反相電源的功放內(nèi)部的環(huán)型變壓器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與其他設(shè)備變壓器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)互相干擾。
在進(jìn)行線纜敷設(shè)時(shí)，不要將音頻信號(hào)線纜與電源線近距離平行布線，以防感應(yīng)電流的產(chǎn)生。如果需要交越，最好保持90?垂直。需要提醒的是，信號(hào)線纜在距離開(kāi)關(guān)電源設(shè)備過(guò)近時(shí)，也會(huì)感應(yīng)到頻率較低的共模干擾。
輻射造成的噪聲通常聽(tīng)起來(lái)較HUM頻率要高，有周期性，稱之為BUZZ。
兩種噪聲的區(qū)別見(jiàn)表1。有經(jīng)驗(yàn)的音頻工程師能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)聲器或者耳機(jī)中出現(xiàn)的噪聲判斷問(wèn)題可能出現(xiàn)在什么環(huán)節(jié)。
表1 兩種噪聲的區(qū)別和排除方法
2.3地線環(huán)路干擾
地線環(huán)路干擾是在音頻系統(tǒng)中最常見(jiàn)最復(fù)雜也最難以判定的一類干擾。經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況，明明采用了平衡接法（見(jiàn)圖3）卻依舊有可聞的音頻噪聲出現(xiàn)，這也是很多從業(yè)人員的困惑所在。
圖3 平衡接法示意圖
平衡接法的設(shè)計(jì)很巧妙，使用三根導(dǎo)線，兩根用于傳輸信號(hào)，另外一根則用于屏蔽。兩根導(dǎo)線傳輸?shù)男盘?hào)幅度相同、相位相反。負(fù)責(zé)接收信號(hào)的差分放大器在接收到信號(hào)后只負(fù)責(zé)放大兩個(gè)信號(hào)之間的差值，有效降低共模干擾。所有音響從業(yè)人員都記得卡儂接口“一地兩正三負(fù)”的口訣，這是AES給出的卡儂接口的標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)標(biāo)GB／T14197—93《聲系統(tǒng)設(shè)備互連的優(yōu)選配接值》中，也明確定義使用卡儂頭用于平衡式連接傳輸時(shí)：接點(diǎn)①接屏蔽層，接點(diǎn)②接信號(hào)熱端，接點(diǎn)③接信號(hào)冷端。但是，在一些現(xiàn)場(chǎng)演出實(shí)務(wù)的文章中卻建議在輸出端做1腳跳空的方式處理；而在發(fā)燒音響圈子里，使用RCA插頭進(jìn)行非平衡式傳輸時(shí),則是在發(fā)送端連接屏蔽層到負(fù)極,接收端跳空屏蔽層。
矛盾來(lái)自于哪里？“一地兩正三負(fù)”的原則沒(méi)有問(wèn)題，問(wèn)題在于這是一個(gè)相對(duì)較為理想的狀況。它假設(shè)了設(shè)備兩端的地是以電阻無(wú)限接近于0的導(dǎo)線相連，兩端的地為等電位。在實(shí)際使用，尤其是外場(chǎng)大量長(zhǎng)距離音頻線纜連接的情況下，很難保證設(shè)備兩端的地等電位。因此，兩端地的電位差產(chǎn)生的電流會(huì)在信號(hào)通道上感應(yīng)出環(huán)流，從而形成難以抑制的差模干擾，如圖4所示，a、b端電位差形成的電流會(huì)在信號(hào)通道感應(yīng)出環(huán)流造成難以抑制的差模干擾。電位差越大，卡儂1端對(duì)應(yīng)的連接線上產(chǎn)生的電流越大，而在同一根音頻線中地線與信號(hào)線距離如此之近，干擾就尤為突出。
圖4 地線環(huán)路示意圖
從圖5的地線環(huán)路中可以看出，要消除地線環(huán)路造成的差模干擾，只需要斷開(kāi)地線連接就可以。但這又帶來(lái)其他的疑問(wèn)，如果地線斷開(kāi)，平衡接法的優(yōu)勢(shì)又在哪里呢？事實(shí)上，斷開(kāi)地線連接只是一種不得已而為之的應(yīng)急措施，在演播室這類嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行施工的場(chǎng)所，這樣的問(wèn)題并不存在，在實(shí)況轉(zhuǎn)播這樣的場(chǎng)合卻必須考慮。
圖5 改進(jìn)的平衡接法示意圖
一般來(lái)說(shuō)，并不需要按照演出實(shí)務(wù)上介紹的那樣將每一根音頻平衡線都斷開(kāi)一段的地，并一一做好標(biāo)記，完全可以按照標(biāo)準(zhǔn)的平衡接法進(jìn)行連接，在某些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地線跳空的操作，如圖5。既然地線環(huán)路的起因是由于兩端地電位的不一致，那么容易出現(xiàn)問(wèn)題的節(jié)點(diǎn)往往出現(xiàn)在長(zhǎng)距離傳輸以及不是從同一電源排插取電的設(shè)備之間。
3 實(shí)例說(shuō)明
以下舉三個(gè)常見(jiàn)的地線環(huán)路干擾的例子來(lái)加以說(shuō)明。
3.1二級(jí)調(diào)音臺(tái)與轉(zhuǎn)播車之間的噪聲問(wèn)題
較長(zhǎng)的音頻線連接往往會(huì)出現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)音臺(tái)與轉(zhuǎn)播車的信號(hào)傳輸中，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)音臺(tái)與轉(zhuǎn)播車往往電源都不是一條線路，兩邊地有電位差是常見(jiàn)的事情，這時(shí)候就需要斷開(kāi)地線環(huán)路。通常的做法是，使用每個(gè)聲道帶有獨(dú)立音頻隔離變壓器的信號(hào)分配器，見(jiàn)圖6，并打開(kāi)earth lift開(kāi)關(guān)。
圖6 信號(hào)分配器
3.2電腦播放視頻產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題
在很多場(chǎng)合，現(xiàn)場(chǎng)需要大屏播放PPT或者視頻文件，電腦通過(guò)VGA或者HDMI接口提供視頻給大屏，而音頻信號(hào)則是進(jìn)入調(diào)音臺(tái)進(jìn)行處理。以VGA接口為例，VGA接口有多腳接地（4,6,7,8,11端），見(jiàn)圖7。因此，音頻系統(tǒng)與視頻系統(tǒng)之間就存在了地線的回路。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)了噪聲，需要在音頻輸出點(diǎn)使用DI盒，將接地設(shè)定為斷開(kāi)，地線回路無(wú)法成立，便能解決問(wèn)題。
圖7 VGA接口
圖8 DI盒
3.3接入非平衡設(shè)備產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題
在專業(yè)音響領(lǐng)域，使用非平衡設(shè)備的情況較少，但又是無(wú)法避免的。比如電聲樂(lè)器的接入，電吉他的音頻傳輸使用的是大二芯TS插頭，接地端無(wú)法斷開(kāi)。從電聲樂(lè)器到調(diào)音臺(tái)的平衡線路輸入端經(jīng)常采用樂(lè)器DI盒，這里DI盒用來(lái)將高阻抗高電平的非平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為低阻抗低電平的平衡式信號(hào)。通常在DI盒上會(huì)有一個(gè)浮地開(kāi)關(guān)，一旦出現(xiàn)噪聲問(wèn)題，可以進(jìn)行斷開(kāi)地線的操作來(lái)降低噪聲。
圖9 樂(lè)器DI盒
4 結(jié)語(yǔ)
在實(shí)際工作中，音頻噪聲除了前面所提及的電信號(hào)干擾噪聲，還包括其他各種情況，諸如通過(guò)空氣傳播的空調(diào)、風(fēng)扇、音源串音等。限于篇幅，筆者僅就電信號(hào)的外部干擾防治做簡(jiǎn)單說(shuō)明，整理成文與業(yè)界同行探討。
選自《演藝科技》2019年第3期 孔光偉《外部干擾所致的音頻噪聲防治》，轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)注：演藝科技傳媒。更多詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱《演藝科技》。
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